Heizungsanlagen richtig dimensionieren

Gründe für die Überdimen­sionierung von Heizungsanlagen bei Neubau und Kesseltausch kann es viele geben und von allen Beteiligten am Bau verursacht werden: Der Kunde verzichtet z. B. aus Kostengründen auf eine Planung, die alten Grundrisse fehlen, der Installa­teur übernimmt lediglich die Kesselleistung des baufälligen alten Kessels oder vertraut auf jahrzehntealte Schätzwerte mit anderen Baustandards. Aus Zeitnot delegiert der Architekt ohne Vorgaben oder Absprachen auf den Planer. Der Planer trifft Annahmen, die einzeln betrachtet sinnvoll sind, in der Kombination aber praktisch nie auftreten und ein „worst-case“-Szenario bilden. Und Normen versuchen, komplexe Vorgänge zu vereinfachen, was meist nur durch Annahmen und die Ermittlung von Ober- oder Untergrenzen möglich ist.

Hier schafft das neue Beiblatt 2 zur DIN EN 12 831 Abhilfe und räumt mit der Überdimensionierung auf. Es liefert drei schnelle und praxistaugliche Methoden zur Ermittlung der Wärmeerzeugerleistung für bestehende Gebäude.

Methode 1: Vereinfachte Heizlastberechnung nach
Hüllflächenverfahren

Die konventionelle Heizlastberechnung geht von dem Fall aus, dass ein Gebäude an sehr kalten Wintertagen vollständig und jederzeit mit der gewünschten Raumtemperatur beheizt werden kann. Sämtliche mindernden Einflüsse, wie z. B. solare Gewinne, Wärmeeinträge aus elektrischen Geräten oder verminderte Nutzung (z. B. Nachtabsenkung, durchschnittlicher Leer­stand), werden vernachlässigt. Die ebenfalls mindernde Speicherwirkung von Bauteilen wird (nach Meinung des Autors) nur unzureichend berücksichtigt. Für das beschriebene Extremszenario werden für jeden Raum Transmissions- und Lüftungswärmeverluste betrachtet, die in Bild 1 grün dargestellt sind. Für das Gebäude erfolgt dann im Wesentlichen nur eine Addition der Raumheizlasten.

Das vereinfachte Hüllflächenverfahren ist vom Ansatz identisch, jedoch wird von vorneherein nur das Gebäude insgesamt bilanziert. Dabei werden eine einheitliche Raumtemperatur von 20 °C und ein 0,5-facher Luftwechsel angesetzt. Zusätzliche Vereinfachungen sind z. B. U-Werte (Wärmedurchgangskoeffizienten) aus sogenannten Typologien und geometrische Vereinfachungen. Zur Ermittlung der Kesselleistung ist abschließend noch die Leis­tung für Trinkwassererwärmung (früher: Warmwasserzuschlag) zu berücksichtigen, die in Methode 3 näher erläutert wird.

Vorteile:

Die Abweichungen zur konventionellen Heizlastberechnung hängen hauptsächlich von den U-Werten der Typologie im Vergleich zu selber berechneten U-Werten ab. Eine Kontrolle der Gebäudeheizlast aus dem konventionellen Verfahren ist daher möglich. Das Hüllflächenverfahren ist viel schneller als die komplette Heizlastberechnung, bei Einfamilienhäusern gibt es etwa 60 % Zeitersparnis und bei Mehrfamilienhäusern sogar noch mehr. Das Hüllflächenverfahren ist auch bei Neubau, energetischer Sanierung und Nutzungsänderung einsetzbar.

Hinweise:

Das Hüllflächenverfahren basiert weiterhin auf dem o.g. Extremsze­nario. Eigene Stichproben mit einem Wärmemengenzähler am Heizkreis eines kleinen Mehrfamilienhauses an mehreren sehr kalten Wintertagen zeigten eine Unterschreitung der theoretischen Ergebnisse von teilweise mehr als 20 % in der Praxis.

Letztlich ist bei mittel bis gut gedämmten Ein- und Zweifamilienhäusern (EFH/ZFH) der Einfluss der Warmwasserbereitung auf die Kesselleistung größer als die Heizlast. Dieser Warmwasserzuschlag ist gerade bei EFH und ZFH sehr schwer abzuschätzen. Deshalb sollte man bei EFH und ZFH vielleicht auf jegliche Heizlastberechnung verzichten und besser gleich Methoden 2 oder 3 anwenden.

Methode 2: Grafisches Verbrauchsverfahren

Das grafische Verbrauchsverfahren in Bild 2 basiert auf der Messung von Energieverbrauch und mittlerer Außentemperatur in bestimmten Zeitintervallen (z. B. Tageswerte). Aus dem abgelesenen Energieverbrauch wird die Feuerungsleistung im jeweiligen Intervall ermittelt (z. B. Feuerungsleistung = Tagesverbrauch kWh/24 h). Sie stellt die Energiezufuhr zum Wärmeerzeuger dar und bezieht sich bei Brennstoffen auf den unteren Heizwert (H_i), so dass z. B. bei Gas eine Umrechnung (H_s/H_i = 1,11) erfolgen muss.

Die mittlere Außentemperatur kann z. B. über den Deutschen Wetterdienst (DWD) bezogen werden. Tageswerte stehen für eine Vielzahl von Stationen kostenlos im Internet zur Verfügung. Diese Werte werden gegeneinander in Bild 2 aufgetragen.

Man erkennt den witterungs­un­abhängigen Teil für Wärmever­luste aus dem Rohrnetz und die Warmwasserbereitung als Linie „1“. Für den witterungs- bzw. temperaturabhängigen Teil wird danach die Ausgleichsgerade „2“ durch die Punktwolke gezogen, die bei der Heizgrenze (hier 15 °C) beginnt. Wegen unterschiedlicher Bedingungen (Wind, Sonnenschein, Nutzung etc.) kommt es selbst bei gleicher Außentemperatur zu einer gewissen Streuung der Messwerte. Aus Sicherheitsgründen wird im dritten Schritt eine Parallelverschiebung „3“ nach rechts bis zur Auslegungsraumtemperatur (hier 20 °C) vorgenommen. Der Schnittpunkt der Geraden „3“ mit der Auslegungsaußentemperatur (hier –14 °C) ergibt dann die gewünschte Feuerungs­leis­tung des Wärmeerzeugers, im Beispiel etwa 750 kW. Die Umrechnung auf die häufiger gebräuchliche Nennleistung des Wärmeerzeugers erfolgt durch Multiplikation mit dem Jahresnutzungsgrad η, der je nach Kesseltyp und Baujahr anhand von Literatur oder Erfahrung geschätzt werden muss.

Vorteile:

Das grafische Verfahren ist in­tui­tiv und schnell, sobald alle Daten vorliegen. Es sind alle verstärkenden und mindernden Einflüsse berücksichtigt. Bei guter Datenlage liefert es sehr genaue Ergebnisse über Schwach- und Maximallast. Von den drei Methoden sind hier am wenigsten Annahmen zu treffen.

Hinweise:

Grundsätzlich ist das Verfahren nur anwendbar, wenn mit keiner wesentlichen Nutzungsän­derung oder baulichen Maßnahmen (z.B. Dämmung) zu rechnen ist. Die Leis­tungs­fähigkeit des Warmwasserbereiters sollte ebenfalls nahezu unverändert bleiben. Die Genauigkeit wird sehr stark von der Datenlage beeinflusst. Besonders wichtig sind milde Tage im Bereich der Heizgrenztemperatur (10 bis 20 °C) und Wintertage mit durchgehendem Frost. Der Zeitaufwand für die Messungen lässt sich durch Hausmeister und Bewohner möglicherweise vermindern. Allerdings sind dann eine gute Einweisung und das sorgfältige sowie zeitgenaue Erfassen der Verbrauchswerte wichtig.

Weil nur der Jahresnutzungs­grad geschätzt werden muss, weist dieses Verfahren die höchs­te Genauigkeit auf. Insge­samt empfiehlt sich dieses Verfahren für größere Gebäude oder Nahwärmenetze.

Methode 3: Verfahren nach Jahresenergieverbrauch

Das einfachste, schnellste und wohl praxistauglichste Verfahren basiert auf dem Jahresenergie­verbrauch. Man benötigt nur sehr wenige Informationen, die der Kunde bzw. Bewohner meist sofort liefern kann. Der Rest wird geschätzt oder im Internet auf Seiten des DWD o.Ä. recherchiert.

Auch dieses Verfahren unterscheidet zwischen witterungsunabhängigen und witterungsabhängigen Bestandteilen. Anders gesagt: Man trennt zwischen konstantem mittleren Energieverbrauch für Warmwasser und Wärmeverluste des Rohrnetzes sowie temperaturabhängigem Heizverbrauch. Die einzelnen Schritte: Als Erstes werden der Warmwasserverbrauch und der zugehörige Energieverbrauch anhand von Wohnfläche, Personenanzahl oder Messung ermittelt, dem Wärmeverluste aus dem Warmwasserrohrnetz hinzugerechnet werden. Über die geschätzte Ladezeit für den Warmwasserspeicher wird die mittlere Feuerungsleistung für die Trinkwassererwärmung (Warmwasserzuschlag) gebildet.

Im zweiten Schritt wird der Warmwasseranteil vom Jahres­ener­gie­ver­brauch abgezogen, so dass sich der reine Heizverbrauch für das betrachtete Jahr ergibt. Über die sogenannten Vollbenutzungsstunden für das betreffende Jahr, die sich z. B. aus statistischen Wetterdaten des DWD (Gradtage) ergeben, erhält man die erforderliche Feuerungsleistung für Heizzwecke. Die gesamte Feuerungsleis­tung ergibt sich aus der Addition bei­der Anteile für Warmwasser und Heizung. Zur Ermittlung der Nennleistung des Wärmeerzeugers ist wie in Methode 2 eine Um­rechnung mit geschätztem Jahresnutzungsgrad erforderlich.

Vorteil:

Auch wenn das dritte Verfahren zunächst komplex klingt, ist es bzgl. der einzugebenden Parameter am schnellsten und einfachsten. Ein kleiner Aufwand von wenigen Minuten, und es lässt sich eine vernünftige Größenordnung der erforderlichen Kesselleistung im Bestand erzielen, bei der alle Einflüsse eingerechnet sind.

Hinweise:

Wie in Methode 2 darf es keine wesentliche Nutzungsänderung oder bauliche Maßnahmen geben, weil das Verfahren für den Bestand gilt, und die Genauigkeit ist geringer als im grafischen Verfahren, aber (nach Erfahrungen des Autors) höher als bei der Heizlastberechnung nach Hüllflächenverfahren, weil auch dort viele Annahmen getroffen werden.

Der Praxisvergleich

Als Praxisvergleich wurde ein bestehendes Nahwärmenetz mit 30 Mehrfamilienhäusern und insgesamt 180 Wohnungen untersucht (Bild 3). Die erneuerungsbedürftige Zentrale hat eine Doppelkesselanlage mit rund 1400 kW aus dem Baujahr 1991 mit einem leistungsmessenden Gaszähler, der stündlich den Verbrauch misst. Der Zeitaufwand für das Verfahren nach Jahresenergieverbrauch war mit etwa 2 h für die Rohfassung zu Projektbeginn sehr gering. Im Rahmen der weiteren Untersuchungen wurde die Berechnung fortlaufend angepasst, weil durch den Abgleich mit den anderen Verfahren viele Annahmen eingegrenzt werden konnten und weitere Jahresverbrauchswerte hinzukamen. Diese Methode bietet sich daher auch sehr gut als Kontrolle an. Am längsten dauerte das grafische Verfahren, weil die Anfrage beim Energieversorger nach den stündlichen Verbrauchswerten des Gaszählers sich über mehrere Wochen erstreckte. Nach Vorliegen aller Daten waren der eigentliche Berechnungsteil und das Zeichnen des Diagramms in wenigen Stunden erledigt. Die Heizlastberechnung nach Hüllflächenverfahren dauerte für die 30 Gebäude etwa einen Tag.

Die berechnete Leistung nach Hüllflächenverfahren lag bei etwa 900 kW, allerdings ohne Warmwasserzuschlag. Bei den beiden Verbrauchsverfahren ergaben sich etwa 750 kW inkl. Berücksichtigung der Einflüsse aus Warmwasserbereitung, Rohrnetz und Nutzung. Somit konnte die geplante Kesselanlage sogar noch eine Größe kleiner dimensioniert werden, was bei einer Anlage mit Gasbrennwertkessel(n) samt Zubehör etwa 5000 bis 10 000 € Einsparung ausmacht.

Fazit

Überdimensionierung von Wärmeerzeugern führt zu höheren Investitionskosten und zu höherem Energieverbrauch. Die drei Verfahren in DIN EN 12 831 – Beiblatt 2 zeigen, dass die Berechnung der korrekten Leistung auch ohne großen Aufwand möglich ist. Zudem berücksichtigen zwei Verfahren wichtige Einflüsse aus dem konkreten Objekt und führen deshalb zu genaueren Ergebnissen als eine Heizlastberechnung.